传感器实验指导

1、实验八 压电式传感器测振动实验一、实验目的了解压电传感器的原理和测量振动的方法。二、实验仪器CSY-XS-01传感器实验箱（机头振动台；低频振荡器、激振线圈）；压电传感器，示波器。三、实验原理1. 压电式传感器是一种典型的发电型传感器，它的转换机理是压电材料的压电效应，常见的压电材料有：压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；高分子压电材料，如聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯等。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。2. 压电式加速度传感器和放大器等效电路压电传感器的输出信号很弱小，必须进行放大，压电传感器

2、所配接的放大器有两种结构形式：一种是带电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出电压)成正比；另一种是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷量成正比。电压放大器测量系统的输出电压对电缆电容Cc敏感。当电缆长度变化时，Cc就变化，使得放大器输入电压ei变化，系统的电压灵敏度也将发生变化，这就增加了测量的困难。电荷放大器则克服了上述电压放大器的缺点。它是一个高增益带电容反馈的运算放大器，如图8-1所示。图8-1传感器-电缆-电荷放大器系统的等效电路图。忽略传感器的漏电阻Ra和电荷放大器的输入电阻Ri影响，且满足KCf>>Ca+Cc+Ci,K>>1时，&

3、#160;                                         ey-Q/Cf （8-1）式（8-1）表明，在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正

4、比，而与电缆的分布电容无关，输出灵敏度取决于反馈电容Cf。所以，电荷放大器的灵敏度调节，都是采用切换运算放大器反馈电容Cf的办法。采用电荷放大器时，即使连接电缆长度达百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的主要优点。3. 压电加速度传感器实验原理图 压电加速度传感器实验原理、电荷放大器与实验面板图由图8-2、3所示。图8-2 压电加速度传感器实验原理框图图8-3 电荷放大器原理图与实验面板图四、实验步骤：1. 按图8-4所示将压电传感器放置在振动台面的中心点上(与振动台面中心的磁钢吸合)，将主板上的低频振荡器幅度旋钮逆时针转到底(低频输出幅度为零)。图8-4 压电传感器测振动实验安装、

5、接线示意图2. 如图8-4接线，调节低频振荡器的频率在68Hz左右，调节低频振荡器的幅度使振动台明显振动(如振动不明显可调频率)。3. 用示波器同时观察低通滤波器输入端和输出端波形并记录；在振动台正常振动时用手指敲击振动台同时观察输出波形变化。实验九 霍尔式传感器实验一、实验目的1. 了解霍尔式传感器原理与应用。2. 了解开关式霍尔传感器测转速的应用二、实验仪器线性霍尔实验：CSY-XS-01传感器实验箱（机头静态位移安装架、传感器输入插座；主板FV表、±4V、霍尔、电桥、差动放大器）；霍尔传感器、测微头；。开关霍尔实验：CSY-XS-01传感器实验箱（电机驱动、转速盘；主板FV表、

6、+5V电源、1.2-12V电压调节）；霍尔转速传感器、传感器安装片、磁性座；示波器。三、实验原理（一）线性霍尔传感器原理霍尔式传感器是一种磁敏传感器，基于霍尔效应原理工作。它将被测量的磁场变化转换成电动势输出UHKHIB。 式中：KH1ned灵敏度系数，与材料的物理性质和几何尺寸有关。霍尔元件大多采用N型半导体材料，厚度d只有1µm左右。 霍尔传感器有霍尔元件和集成霍尔传感器两种类型。集成霍尔传感器是把霍尔元件、放大器等做在一个芯片上的集成电路型结构，与霍尔元件相比，它具有微型化、灵敏度高、可靠性高、寿命长、功耗低、负载能力强以及使用方便等等优点。本实验采用的霍尔式位移（小位移12）

7、传感器是由线性霍尔元件、永久磁钢组成，其它很多物理量如：力、压力、机械振动等本质上都可转变成位移的变化来测量。霍尔式位移传感器的工作原理和实验电路原理如图9-1 (a)、(b)所示。将磁场强度相同的两块永久磁钢同极性相对放置着，线性霍尔元件置于两块磁钢间的中点，其磁感应强度为，(a)工作原理 (b)实验电路原理图9-1霍尔式位移传感器工作原理图设这个位置为位移的零点，即，因磁感应强度，故输出电压UH。当霍尔元件沿轴有位移时，由于，则有一电压UH输出，UH经差动放大器放大输出为V。V与有一一对应的特性关系。 （二）开关型霍尔传感器原理开关式霍尔传感器是线性霍尔元件的输出信号经放大器放大，再经施密

8、特电路整形成矩形波（开关信号）输出的传感器。开关式霍尔传感器测转速的原理框图如图9-2所示：图9-2开关式霍尔传感器测转速原理框图当带有m个磁体的转动盘旋转时，圆盘上的磁体周期性地经过开关式霍尔传感器，使霍尔传感器产生周期性的导通与截止，输出相应的脉冲，脉冲频率f可反映转动盘的转速n（自行推导关系式，其中转速单位为转/分）。四、实验步骤：（一）位移测量实验1差动放大器调零（条件差动放大器的增益电位器到底并回转一周）。2将霍尔传感器与测微头安装到静态位移支架上。注意测微头的刻度够用。3. 如图9-1b接线。注意：图中虚线框内为霍尔传感器探头，线性霍尔元件有四个引线端。涂黑二端1(Vs+)、3(V

9、s-)是电源输入激励端，另外二个2(Vo+)、4(Vo-)是输出端。接线时，电源输入激励端与输出端千万不能颠倒，否则霍尔元件就损坏。4. 不等位电势的消除：转动测微头，使霍尔元件处在两磁钢的中点位置(目测)，调节W1电位器，使电压表显示。5. 位移特性测量：将测微头往一端转动4周（2mm），并每0.1mm往回转动，记录电压表读数，直到另一端2mm处。6. 作V-X曲线，确定线性区，计算电压灵敏度。（二）开关霍尔传感器测转速实验1. 霍尔转速传感器安装：将磁性座吸合在转速盘附近的机箱边上，并通过传感器安装片装上霍尔转速传感器；传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大

10、约为23，如图9-3所示。2. 如图9-3接线，霍尔转速传感器有三根引线：1号线电源接+5V，2号线输出接FV表（量程为2KHz）并接示波器观察波形，3号线接地；电机接1.2-12V可变电压源。图9-3 霍尔转速传感器实验安装、接线示意图3. 电机转速测量：调节1.2-12V电压调节旋钮使电压逐渐增大，观察电机转速与FV表读数的变化，并选取某个频率计算此时的转速n。4. 安装位置的影响观察：松开安装片压紧螺钉，左右转动传感器探头，观察波形的变化并估计可测安装范围；松开升降杆紧固螺钉，上下移动探头，观察波形的变化并估计可测安装距离。分析波形变化的原因。实验十 热电偶与集成温度传感器实验一、实验目

11、的1. 了解温度源的温度控制的原理，学会智能调节仪的设置和温度源的使用。2. 了解热电偶测温原理及方法和应用。3. 了解常用的集成温度传感器基本原理、性能与应用。二、实验仪器热电偶实验：CSY-XS-01传感器实验箱（机头中温度源、温度调节仪；FV表、电桥、直流稳压电源(1.2-12V)、差动放大器）；型热电偶，Pt100温度传感器。集成温度传感器实验：CSY-XS-01传感器实验箱（机头中温度源、温度调节仪；温度转换单元、FV表）；集成温度传器AD590，Pt100温度传感器。三、实验原理（一）温度源的温度控制原理1. 如图10-1所示，当温度源的温度发生变化时温度源中的Pt100热电阻(温

12、度传感器)的阻值发生变化，将电阻变化量作为温度的反馈信号输给智能调节仪，经智能调节仪的电阻-电压转换后与温度设定值比较再进行数字PID运算输出调压模块(或固态继电器)触发信号(加热)或继电器触发信号(冷却)，使温度源的温度趋近温度设定值。图10-1温度控制原理框图2. 温度源调节仪简介（详细功能见附录）1）调节仪面板调节仪的面板上有PV测量显示窗、SV给定显示窗、3个指示灯窗和4个按键组成。如图10-2所示，面板中1、PV测量值显示窗 2、SV给定值显示窗 3、AT自整定灯(兼手动指示灯) 4、ALM ALM1动作时点亮对应的灯5、OUT调节控制输出指示灯 6、SET功能键7、数据移位键 8、

13、数据减少键 9、数据增加键 10-2调节仪面板图仪表上电后，上显示窗口显示测量值（PV），下显示窗口显示给定值（SV）。2）功能及设置（1）内部菜单（2）按键功能说明按SET键并保持约3秒钟，即进入参数设置状态。在参数设置状态下按SET键，仪表PV显示窗将依次显示上图中各参数，例如上限报警值ALM1、下限报警值ALM2等等。用、（A/M）键可修改SV显示窗内的参数值，长按、可使数值快速增减。按（A/M）键并保持不放，再按键可返回显示上一参数。按（A/M）键不放接着再按SET键可退出设置参数状态。注意:如果没有按键操作，约30秒钟后会自动退出设置参数状态。如果设置中途间隔10秒未操作，仪表将自动

14、保存数据，退出设置状态。（二）温度源的温度设置图10-3 温度源的温度调节控制及接线示意图1. 如图10-3接线2合上实验箱的主电源开关；调节仪的控制选择开关按到“温度”位置；合上调节仪电源开关。仪表上电后，仪表的上显示窗口(PV)显示随机数或闪动显示：“orAL”；下显示窗口(SV)显示控制给定值(实验值)。 3. 温度的设置(1)按住SET键保持约3秒钟，仪表进入参数设置状态，PV窗显示ALM1(上限报警)，按、键调整参数值，使SV窗显示要做的实验温度值，本实验选取40。(2)再按SET键，PV窗显示ALM2(下限报警)。按、键调整参数值，使SV窗显示要做的实验温度值40，即ALM2=AL

15、M1。(3)再按SET键，PV窗显示Hy-1(正偏差报警)，长按键，使SV窗显示9999。(4)再按SET键，PV窗显示Hy-2(负偏差报警)，长按键，使SV窗显示9999。(5)再按SET键，PV窗显示Hy(回差)，按、键可修改参数值，使SV窗显示00。(6)再按SET键，PV窗显示At(控制方式)，按、键可修改参数值，使SV窗显示1。(7)再按SET键，PV窗显示I(保持参数)，按、键调整参数值，使SV窗显示300(经验参数值)。(8)再按SET键，PV窗显示P(速率参数)，按、键调整参数值，使SV窗显示350(经验参数值)。(9)再按SET键，PV窗显示d(滞后时间)，按、键调整参数值，

16、使SV窗显示153(经验参数值)。(10)再按SET键，PV窗显示t(输出周期) ，按、键可修改参数值，使SV窗显示1。(11)再按SET键，PV窗显示Sn (输入方式)，按、键可调整参数值，使SV窗显示21。(12)再按SET键， PV窗显示dP (小数点位置) ，按、键修改参数值，使SV窗显示1。(13)再按SET键，PV窗显示P-SL(输入下限显示) ，按、键修改参数值，使SV窗显示10。(14)再按SET键，PV窗显示P-SH (输入上限显示) ，按、键修改参数值，使SV窗显示100。(15)再按SET键，PV窗显示Pb (主输入平移修正) ，不按键，SV窗显示值0。(16)再按SET

17、键，PV窗显示oP-A(输出方式) ，按、键修改参数值，使SV窗显示2。(17)再按SET键，PV窗显示outL(输出下限) ，按、键修改参数值，使SV窗显示0。(18)再按SET键，PV窗显示outH(输出上限) ，按、键调整参数值，使SV窗显示100。(19)再按SET键，PV窗显示AL-P(报警输出定义) ，按、键调整参数值，使使SV窗显示17。(20)再按SET键，PV窗显示CooL(系统功能选择) ，按、键修改参数值，使SV窗显示2。(21)再按SET键，PV窗显示Addr(通讯地址) ，不按键，SV窗显示随机值1。(22)再按SET键，PV窗显示bAub(通讯波特率) ，不按键，S

18、V窗显示随机9600。(23)再按SET键，PV窗显示FILt(输入数字滤波) ，按、键修改参数值，使SV窗显示1。(24)再按SET键，PV窗显示A-M(运行状态) ，按、键可修改参数值，使SV窗显示2。(25)再按SET键，PV窗显示LocK(参数修改级别) ，不按键，SV窗显示808。(26)再按SET键，PV窗显示EP1EP8(现场参数定义) ，不修改参数值，按SET键7下，仪表退出设置状态处于温度显示状态。(27)先按键，接着按、键设置给定值(实验值) ，使SV窗显示40.0。到此调节仪设置完成已进入自动控制过程，经数次振荡周期调节，温度源在40左右波动。4.若做其它任意一点温度值实

19、验时(实验温度范围：室温实验温度给定值120)，只要重新设置ALM1(上限报警) ALM2(下限报警) 要新做的温度实验值。（三）热电偶原理1. 热电偶1821年德国物理学家赛贝克（T×J×Seebeck）发现和证明了两种不同材料的导体A和B组成的闭合回路，当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。这种物理现象称为热电效应（塞贝克效应）。热电偶测温原理是利用热电效应，国际上，将热电偶的A、B热电极材料不同分成若干分度号，如常用的型(镍铬-镍硅或镍铝)热电偶，并且有相应的分度表即参考端温度为时的测量端温度与热电动势的对应关系表；可以通过测量热电偶输出的热电动势值再查分度表得

20、到相应的温度值。热电偶一般应用在冶金、化工和炼油行业，用于测量、控制较高的温度。 2.K型热电偶分度表 表1 K型热电偶分度表 分度号：K（参考端温度为0） 测量端温度（） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 热 电 动 势 （mV） 00.0000.0390.0790.1190.1580.1980.2380.2770.3170.357100.3970.4370.4770.5170.5570.5970.6370.6770.7180.758200.7980.8380.8790.9190.9601.0001.0411.0811.1221.162301.2031.2441.2851.3251.3

21、661.4071.4481.4891.5291.570401.6111.6521.6931.7341.7761.8171.8581.8991.9491.981502.0222.0642.1052.1462.1882.2292.2702.3122.3532.394602.4362.4772.5192.5602.6012.6432.6842.7262.7672.809702.8502.8922.9332.9753.0163.0583.1003.1413.1833.224803.2663.3073.3493.3903.4323.4733.5153.5563.5983.639903.6813.7223

22、.7643.8053.8473.8883.9303.9714.0124.0541004.0954.1374.1784.2194.2614.3024.3434.3844.4264.4671104.5084.5494.5904.6324.6734.7144.7554.7964.8374.8781204.9194.9605.0015.0425.0835.1245.1645.2055.2465.2873热电偶的冷端温度补偿 从热电偶的测温原理可知，热电偶测量的是测量端与参考端之间的温度差，在参考端温度为时才真实反映测量端的温度，否则存在着参考端所处环境温度值误差。 热电偶的分度表(见表1)是定义在热电

23、偶的参考端(冷端)为时热电偶输出的热电动势与热电偶测量端(热端)温度值的对应关系。热电偶测温时要对参考端(冷端)进行修正(补偿)，本实验采用计算修正法。（四）AD590集成温度传感器原理集成温度传器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一芯片上，它能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于50120之间温度测量。集成温度传感器有电压型和电流型二种。电流输出型集成温度传感器，在一定温度下，它相当于一个恒流源。因此它具有不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰。具有很好的线性特性。本实验采用的是AD590电流型集成温度传感器，其输出电流与绝对温度(T)成正比，它的灵敏度为1A/K，所以只要串接

24、一只取样电阻(1k)即可实现电流1A到电压1mV的转换组成最基本的绝对温度(T)测量电路(1mV/K)。AD590工作电源为DC 4V30V，它具有良好的互换性和线性。如图10-4为AD590测温特性实验原理图：图10-4 集成温度传器AD590测温原理图四、实验步骤（一）实验温度的设置如三（二）温度源的温度设置步骤设置温度，本实验温度采用40，本部分电路直到全部实验完毕再拆除。（二）热电偶测温实验1差动放大器调零：（条件：增益电位器按顺时针方向到底后再回转1/8圈）。2. 差动放大器放大倍数A的测量：获取20mV信号：将1.2-12V可调电源的调节钮逆时针转到底，再按图10-5示意接线，将F

25、V表的量程切换开关切换到200mV档，调节电桥单元中的W1电位器使FV表显示20mV（不需要很准确）左右并记为VI。图10-5调节20mV信号接线图 图10-6 差放增益测量接线图差动放大器放大倍数A的测量：按图10-6接线，读取FV表的读数并记为VO，可得差放A值，并在后续实验中保持差放的两旋钮位置不变。3. 热电偶测温（1）测室温：按图10-7接线(不要用手抓捏K热电偶测温端)，热电偶放在桌面上。FV表的量程切换开关切换到200mV档，检查接线无误后，合上主电源开关，稍待一分钟左右，记录FV表显示值Vo，若不为0，思考原因。图10-7热电偶测温接线图 （2）测温：将热电偶放入另一个温度源插

26、孔，等待F/V表显示基本稳定后记录输出电压，计算EAB(t,tn),（其中tn为室温,t0为0）。 4. 计算热电偶的温度测量值：查表获得EAB(tn,t0)，根据中间温度定理计算E(t,t0)，从表1中查取相应的温度。(注：本热电偶的测量范围为0-800，一般用于较高温度的测量，所以不能只看绝对误差。如绝对误差为8，但它的相对误差即精度 1001)。 （三）AD590测温 1室温t0测量：按图10-4接线。AD50放在桌面上(不要用手抓捏AD590测温端)，记录FV表读数并计算室温tn，此温度作为热电偶实验的室温使用。 2集成温度传器AD590温度测量：将AD590放入另一个温度源插孔，等待

27、F/V表显示基本稳定后记录输出电压，计算温度t。实验十一 光电传感器测转速与电机转速控制实验一、实验目的1. 掌握光电转速传感器测量转速的原理与方法。2. 了解光电传感器控制电机转速的原理与方法。二、实验仪器1.测转速实验：CSY-XS-01传感器实验箱（主板FV表、1.212V电压调节、电机驱动、转速盘、光电传感器）；示波器2.电机控制实验：CSY-XS-01传感器实验箱（主板调节仪、电机驱动、转速盘、光电传感器）三、实验原理1. 光电传感器测转速原理光电式转速传感器一般采用光电断续器，有反射型和透射型二种，本实验为透射型，光电断续器两侧分别装有发光管和光电三极管，当转盘上转动时，发光管发出

28、的光源透过转盘上通孔后由光电三极管接收转换成电脉冲，脉冲频率表与电机转速n成正比，即可通过测量频率得到转速。2. 光电传感器电机转速控制原理利用光电传感器检测到的转速频率信号经F/V转换后作为转速的反馈信号，该反馈信号与智能调节仪的转速设定比较后进行数字PID运算，调节电压驱动器改变直流电机电枢电压，使电机转速趋近设定转速(设定值：400转分2200转分)。转速控制原理框图如图11-1所示。图11-1 转速控制原理框图四、实验步骤（一）光电传感器测转速实验1. 如图11-2所示接线，将FV表的切换开关切换到频率2KHz档。2. 调节1.2-12V电压调节旋钮，记录FV表显示频率f，计算转速为（

29、转/分）。图11-2 光电传感器测转速实验接线图（二）光电传感器电机转速控制实验1. 如按图11-3示意接线。图11-3 光电传感器电机转速控制实验图2. 智能调节仪的设置(1)按住SET键保持约3秒钟，仪表进入参数设置状态，PV窗显示ALM1(上限报警)，使SV窗显示9999。(2)再按SET键，PV窗显示ALM2(下限报警)。使SV窗显示-1999。(3)再按SET键，PV窗显示Hy-1(正偏差报警)，使SV窗显示9999。(4)再按SET键，PV窗显示Hy-2(负偏差报警)，使SV窗显示9999后。(5)再按SET键，PV窗显示Hy(回差)，使SV窗显示0。(6)再按SET键，PV窗显示At(控制方式)，使SV窗显示1。(7)再按SE